Het weer

De druk

De druk

• In dit hoofdstuk gaan we onze atmosfeer bestuderen.
• We gaan o.a. kijken naar de luchtdruk en de vorming van wolken.
• Om de luchtdruk te begrijpen, moeten we eerst het concept druk begrijpen.
• In dit filmpje gaan we dit doen.

De druk

• Als je met je vinger met een kracht van een paar newton tegen een stuk karton drukt, dan gebeurt er niet zoveel.
• Als je echter even hard drukt met een punaise, dan prik je met gemak dwars door het karton heen.
• Hoe kan dit? Het antwoord is druk.

De druk

• De kracht in beide gevallen is gelijk, maar in het linker voorbeeld wordt de kracht verdeelt over de relatief grote vingertop, terwijl rechts de volledige kracht wordt uitgeoefend op alleen het puntje van de punaise.
• De krachten zijn in beide gevallen gelijk, maar de punaise oefent een grotere druk uit.

De druk

• Druk is gelijk aan de kracht per oppervlak. We rekenen de druk als volgt uit:

​

​

​

​

​

​

​

• De SI-eenheid van de kracht is de newton (N).
• De SI-eenheid van de druk is de pascal (Pa) en dit is gelijk aan newton per vierkante meter (N/m²). Als je de druk in Pascal wilt uitrekenen, is het daarom van belang om het oppervlak in vierkante meter in de formule te stoppen.
• In veel gevallen gebruiken we ook N/cm². In dat geval vul je het oppervlak natuurlijk in cm² in.

​

De druk

• Omdat we in een aantal gevallen de druk willen uitrekenen die de zwaartekracht (F_z) uitoefent, introduceren we ook een formule om de zwaartekracht mee uit te rekenen. Er geldt:

​

​

​

​

​

• De massa moet in deze formule altijd gegeven worden in kilogram.
• De valversnelling (g) is de versnelling die een voorwerp in vrije val ondervindt. Op aarde is de valversnelling altijd gelijk aan ongeveer:

​

Voorbeeld

• Vraag:
• Een blok met een massa van 25 kg wordt op de grond gezet. De onderzijde van het blok heeft een oppervlak van 30 cm². Bereken de druk die het blok op de grond uitoefent in Pa.
• Antwoord:
• Eerst berekenen we de zwaartekracht:

​

• Voor de druk moeten we het oppervlak van de onderzijde van de blok eerst omrekenen naar vierkante meter:
• A = 30 cm² = 0,30 dm² = 0,0030 m²
• Nu kunnen we de druk berekenen:

​

Voorbeeld

• Vraag:
• Als je op ijs loopt en het ijs begint te scheuren, dan is het verstandig om te gaan liggen en op je buik naar de kant te kruipen. Waarom is dit?
• Antwoord:
• Op deze manier wordt het oppervlak (A) in contact met het ijs groter.
• De zwaartekracht (F_z) blijft gelijk.
• Volgens de formule p = F / A wordt de druk (p) dan kleiner.
• Als gevolg heb je een kleinere kans dat je door het ijs zakt.

Voorbeeld

• Vraag:
• Waarom snijdt een scherp mes zoveel beter dan een bot mes?
• Antwoord:
• Dit komt doordat bij een scherp mes het snijoppervlak (A) kleiner is.
• Volgens de formule p = F / A wordt de druk (p) hierdoor juist groter.
• Als gevolg kan je met dezelfde kracht met een scherp mes een veel grotere druk uitoefenen en dus kan je beter snijden.

Voorbeeld

• Vraag:
• Waarom hebben tanks brede rupsbanden om de wielen?
• Antwoord:
• Deze banden hebben een groot oppervlak (A).
• Volgens p = F / A verlaagt dit de druk (p) die de tank op de grond uitoefent. Hierdoor zakt de tank niet snel weg in bijvoorbeeld modder.

Voorbeeld

• Vraag:
• Hiernaast zien we rijplaten die worden neergelegd als een weg opgebroken wordt, maar de weg toch begaanbaar moet blijven voor fietsers. Hoe werken deze platen?
• Antwoord:
• Fietsen over zand is niet handig. De dunne fietsbanden hebben namelijk een klein contactoppervlak (A) en als gevolg daarvan oefenen ze een grote druk (p) uit op het zand en zakken ze er in weg.
• Door rijplaten neer te leggen, wordt de zwaartekracht van de fiets en de bestuurder verdeeld over een veel groter oppervlak (A). Als gevolg wordt de druk (p) kleiner en zak je dus niet weg.

Voorbeeld

• Vraag:
• Als een boogschieter een pijl vaak gebruikt, dan wordt de punt stomp. Vergelijk schieten met een scherpe en een stompe punt. Neem aan dat de pijl in beide gevallen met gelijke snelheid wordt afgeschoten.
• Met een stompe punt is de kracht op het doelwit even groot / groter / kleiner. Met een stompe punt is het contactoppervlak met het doelwit even groot / groter / kleiner. Met een stompe punt is de druk op het doelwit even groot / groter / kleiner.
• Antwoord:
• Met een stompe punt is de kracht op het doelwit even groot.
• Met een stompe punt is het contactoppervlak met het doelwit groter.
• Met een stompe punt is de druk op het doelwit kleiner.
• VOORBEELD KLOPT NIET !!! MOET GELIJKE KRACHT ZIJN!!!

Leerdoelen

De luchtdruk

De luchtdruk

• In het vorige filmpje hebben we geleerd over druk.
• Ook gassen oefenen druk uit.
• Het bekendste voorbeeld hiervan is de luchtdruk.
• De luchtdruk ontstaat door het botsen van de deeltjes waaruit de lucht bestaat.
• De luchtdruk is groter dan mensen vaak denken.
• Lucht heeft een kleine dichtheid, maar de volledige massa van alle lucht boven ons hoofd is behoorlijk groot.
• In de afbeelding zien we de lucht die zich boven 1,0 vierkante meter aardoppervlak bevindt. We noemen dit een luchtkolom.
• De massa van alle lucht in deze kolom is 10 130 kg!

De luchtdruk

• Met deze gegevens kunnen we luchtdruk op zeeniveau uitrekenen. Eerst rekenen we de zwaartekracht van de lucht uit:

​

• En hiermee berekenen we de luchtdruk:

​

​

• De luchtdruk is dus gelijk aan 101 300 Pa.

​

• Naast de pascal wordt ook wel de eenheid bar gebruikt voor de luchtdruk.
• 1 bar is ongeveer gelijk aan de luchtdruk op zeeniveau. Er geldt:

De luchtdruk

• In het dagelijks leven merken we relatief weinig van de hoge luchtdruk.
• Dit komt doordat de luchtdruk zichzelf meestal in evenwicht houdt.
• De luchtdruk die bijvoorbeeld op de bovenkant van je arm werkt, is even groot als de luchtdruk die op de onderkant van je arm werkt.

De luchtdruk

• De grootte van de luchtdruk wordt wel merkbaar in het volgende experiment.
• In de afbeelding zien we twee halve bollen die losjes tegen elkaar aangelegd zijn. We noemen dit de Maagdenburger halve bollen.
• De lucht van buiten drukt de halve bollen tegen elkaar aan, maar de lucht aan de binnenkant biedt een even grote tegendruk.
• Als gevolg merk je ook hier niets van de luchtdruk en kunnen we de halve bollen moeiteloos weer van elkaar afhalen.

De luchtdruk

• Maar als we de lucht aan de binnenkant wegpompen (en er een zogenaamd vacuüm ontstaat tussen de halve bollen), dan valt de tegendruk weg.
• De lucht drukt nu alleen nog vanaf buiten tegen de halve bollen.
• In dit geval krijgt zelfs de sterkste man op aarde de halve bollen niet uit elkaar!

De luchtdruk

• Sterker nog, in de 17^de eeuw is geprobeerd met zestien paarden de bollen uit elkaar te trekken, maar ook dit lukte niet!

Leerdoelen

De luchtdruk II

De luchtdruk

• Laten we nu de atmosfeer nader bestuderen.
• De atmosfeer is een relatief dun laagje lucht dat door de zwaartekracht bij de aarde wordt gehouden.
• Ongeveer driekwart van de massa van de atmosfeer bevindt zich binnen 15 km van het aardoppervlak. VERSIMPELEN!!
• Hoe hoger je in de atmosfeer komt, hoe minder lucht er boven je bevindt en hoe lager de luchtdruk dus wordt.

De luchtdruk

• In het rechter diagram kan je zien hoe de luchtdruk verandert met de hoogte.
• Je kan dit diagram ook vinden in BINAS.
• De grafiek wordt op een slimme manier gebruikt in bijvoorbeeld een vliegtuig.
• Door de luchtdruk buiten het vliegtuig te meten, kan je met deze grafiek de hoogte van het vliegtuig bepalen.

De luchtdruk

• Als je erg hoog de bergen in gaat, dan neemt de luchtdichtheid op een gegeven moment zo ver af dat het lastiger wordt om te ademen.
• Op grote hoogte is het daarom nodig om zuurstofflessen mee te nemen.
• Door de lage druk is het op grote hoogte ook lastiger om te koken.
• Als je water kookt op zeeniveau dan duwt de lucht hard tegen het wateroppervlak.
• De bellen die bij het koken ontstaan, kunnen hierdoor lastig vormen.
• Zoals je weet kunnen deze bellen op zeeniveau pas vormen bij een temperatuur van 100 ^oC (het kookpunt van water).
• Op de top van Mount Everest gebeurt dit door de lage luchtdruk al bij 71 ^oC.
• Als gevolg doet het koken van bijvoorbeeld een ei op de top van een hoge berg veel langer.

Het vacuüm

• Nog extremer wordt het als we water in een vacuüm plaatsen.
• Omdat er in een vacuüm geen lucht aanwezig is, is er dus ook geen luchtdruk.
• In dat geval kookt het water zelfs al bij kamertemperatuur!

De barometer

• Het verschil in luchtdruk kan je al meten als je een paar verdiepingen omhoog of omlaag gaat in een gebouw.
• We kunnen dit zien met behulp van een simpele barometer.
• We zien hiernaast een erlenmeyer met daarin een laag water.
• In de erlenmeyer zit een rubberen dop met een gat erin waarin je een dun buisje kan steken.
• De lucht binnen de erlenmeyer is nu niet in aanraking met de lucht buiten de erlenmeyer.
• Als je met deze fles een paar verdiepingen omhoog gaat, dan zal de buitenluchtdruk lager worden.
• Als gevolg duwt de grotere luchtdruk in de fles het water een klein stukje omhoog door het buisje (bij tien meter stijging verwacht je een stijging van ongeveer een centimeter).

Leerdoelen

De atmosfeer

De atmosfeer

• Ook de temperatuur verandert met hoogte in de atmosfeer.
• Dit zien we in het rechter diagram.
• In het diagram zien we ook dat de atmosfeer is opgedeeld in verschillende lagen.
• De onderste twee, de troposfeer en de stratosfeer, bespreken we in dit filmpje.�

De atmosfeer

• Weersverschijnselen spelen zich voornamelijk af in de troposfeer.
• In deze laag van de atmosfeer is namelijk veel water aanwezig in de vorm van waterdamp, waterdruppels en ijskristallen.
• Zoals je in het diagram kunt zien neemt de temperatuur in de troposfeer af met de hoogte.
• Dit komt doordat het aardoppervlak wordt opgewarmd door de zon en de aarde op zijn beurt met deze warmte de troposfeer van onderaf verwarmt.

De atmosfeer

• In de stratosfeer bevindt zich de ozonlaag.
• Zuurstofmoleculen (O₂) worden hier door UV-straling van de zon opgesplitst, waarna zich ozon (O₃) vormt.
• Ozon heeft de eigenschap dat het een deel van de UV-straling absorbeert en als gevolg is het aardoppervlak tegen de meeste UV-straling beschermd.
• Dit is maar goed ook, want te veel UV-straling is schadelijk voor de huid.

De atmosfeer

• Absorptie van UV-straling hoog in de atmosfeer zorgt er ook voor dat de lucht daar een beetje opwarmt.
• Dit verklaart de temperatuurstijging in de stratosfeer.

Leerdoelen

Wolken

Wolken

• In dit filmpje bespreken we de vorming van wolken.
• Wolken bestaan uit kleine waterdruppels.
• Deze druppeltjes ontstaan als waterdamp in de lucht aan elkaar begint te plakken.
• Als de temperatuur van de lucht te hoog is, dan bewegen de waterdeeltjes hier te snel voor, maar als de temperatuur onder het zogenaamde dauwpunt komt, dan lukt dit wel.
• We zien dan bijvoorbeeld de vorming van mist en wolken.

Wolken

• Hoeveel waterdamp de lucht kan vasthouden bij verschillende temperaturen zien we in het rechter diagram.
• We zien dat hoe hoger de temperatuur is, hoe meer waterdamp de lucht kan vasthouden voordat het dauwpunt �bereikt is.
• In het rechter diagram zien we bijvoorbeeld dat bij een temperatuur van 5 ^oC het dauwpunt al bereikt is als er iets meer dan �5 gram waterdamp per kubieke meter in de lucht zit.
• Bij 40 ^oC kan de lucht wel 48 gram waterdamp per kubieke meter vasthouden.

​

Wolken

• Koude lucht kan dus maar weinig waterdamp vasthouden en als gevolg vormen druppels al snel.
• Dit verklaart waarom mist en dauwdruppels vaak vormen in de ochtend, wanneer de lucht na de nacht flink is afgekoeld.
• Ook is het zo dat het geregeld voorkomt dat er in een hete woestijn meer waterdamp in de lucht zit dan op een koude mistige winterdag in Nederland!

Voorbeeld

• Vraag:
• Vormt een wolk bij een temperatuur van 10 graden Celsius met 15 gram waterdamp per kubieke meter lucht? Leg je antwoord uit.
• Antwoord:
• Bij 10 graden Celsius en 15 gram per kubieke meter zitten we boven het dauwpunt.
• Er zal dus een wolk vormen.

​

Luchtvochtigheid

• Met het dauwpunt kunnen we ook de luchtvochtigheid berekenen.
• De luchtvochtigheid geeft ons het percentage waterdamp dat in de lucht zit (in gram) in vergelijking met de maximale hoeveelheid waterdamp bij het dauwpunt.
• Als de temperatuur bijvoorbeeld 10 ^oC is, dan lezen we in het diagram af dat er bij het dauwpunt 8 gram waterdamp in de lucht zit.
• Stel er zit 4 gram waterdamp per kubieke meter in de lucht, dan vinden we een luchtvochtigheid van:

​

​

• Als het dauwpunt bereikt wordt of zelfs overschreven wordt, dan zeggen we dat de luchtvochtigheid 100% is.

​

Wolken

• Het dauwpunt wordt ook vaak bereikt als lucht een berg opwaait.
• Eerder in dit hoofdstuk hebben we gelezen dat de luchtdruk kleiner is op grotere hoogte.
• Lucht die opstijgt zet hierdoor uit en als een gas uitzet, dan neemt de temperatuur af.
• Als de temperatuur hierbij onder het dauwpunt komt, dan ontstaan wolken.
• Dit verklaart waarom we vaak wolken rond bergtoppen zien.

​

Wolken

• De hoogte waarbij wolken vormen noemen we het condensatieniveau.

Wolken

• Nederland heeft dan wel geen bergen, maar wolken kunnen ook vormen als koude en warme lucht met elkaar botsen.
• De koudere lucht heeft een hogere dichtheid en als gevolg blijft het laag bij de grond.
• De warme lucht heeft een lage dichtheid en wordt door de koude lucht omhoog gedrukt.
• Bij het opstijgen koelt de warme lucht af. Als de temperatuur onder het dauwpunt komt, dan ontstaan er wolken.

​

​

Wolken

• Dit proces is vaak zichtbaar aan de kust. Op een zonnige dag waait er aan de kust een wind vanaf de zee richting de kust. Dit noemen we ook wel de zeebries.
• Dit komt doordat het land sneller opwarmt dan de zee door het licht van de zon. Vervolgens maakt de warme grond de lucht erboven warm.
• De lucht boven het land zet daardoor uit en stijgt hierdoor op.

Wolken

• Maar op grote hoogte is de druk in de rechter kolom nu groter dan de druk in de linker kolom.
• Hierdoor begint lucht naar links te waaien. Als gevolg hiervan ontstaat een circulaire stroming van lucht.
• In het hoofdstuk "Warmte" hebben we gezien dat ditzelfde proces ook optreedt als we lucht in een kamer verwarmen met een verwarming. We spraken toen van warmtestroming.

​

Wolken

• Als laatste bespreken we onweerswolken.
• Zoals je in de afbeelding kan zien, zijn dit extreem dikke wolken.
• Deze wolken ontstaan als de dichtheid van de wolk kleiner is dan de dichtheid van de omliggende lucht.
• In dat geval gaat de wolk opstijgen.
• De wolk stopt met stijgen wanneer de dichtheid van de wolk gelijk wordt aan de dichtheid van de omgeving.

Leerdoelen